ESA-NASA ลุยสกัดออกซิเจนจากดินดวงจันทร์ ปูทางตั้งฐานอวกาศ

ดินดวงจันทร์มีออกซิเจนมากกว่าที่คิด

แม้ดวงจันทร์จะไม่มีบรรยากาศที่มนุษย์สามารถหายใจได้ แต่ข้อมูลทางธรณีวิทยาพบว่าออกซิเจนเป็นองค์ประกอบสำคัญของดินและหินบนดวงจันทร์ โดยคิดเป็นประมาณ 40-45% ของมวลวัสดุผิวดวงจันทร์ ออกซิเจนเหล่านี้ไม่ได้อยู่ในรูปก๊าซ แต่จับตัวอยู่กับธาตุอื่นในรูปสารประกอบออกไซด์ เช่น ซิลิกอนไดออกไซด์ และออกไซด์ของเหล็ก อะลูมิเนียม และไทเทเนียม ทำให้ไม่สามารถนำมาใช้หายใจได้โดยตรง

นักวิทยาศาสตร์จึงพัฒนาเทคโนโลยีแยกออกซิเจนออกจากแร่ โดยหนึ่งในวิธีที่องค์การอวกาศยุโรป (ESA) ให้ความสนใจ คือ การแยกสารด้วยไฟฟ้าในเกลือหลอมเหลว (Molten Salt Electrolysis) ซึ่งใช้กระแสไฟฟ้าช่วยแยกออกซิเจนออกจากสารประกอบออกไซด์ในดินดวงจันทร์ กระบวนการนี้ไม่จำเป็นต้องหลอมละลายดินทั้งหมด แต่ใช้เกลือหลอมเหลวเป็นตัวกลางในการเกิดปฏิกิริยาเคมี

เทคโนโลยีสกัดออกซิเจนด้วยไฟฟ้า

ในปี 2020 นักวิจัยจากศูนย์วิจัยและเทคโนโลยีอวกาศยุโรป หรือ ESTEC ขององค์การอวกาศยุโรป (ESA) ในประเทศเนเธอร์แลนด์ ประสบความสำเร็จในการพัฒนาต้นแบบเครื่องผลิตออกซิเจนจากวัสดุจำลองดินดวงจันทร์ โดยใช้เกลือแคลเซียมคลอไรด์ ที่หลอมเหลวด้วยความร้อนประมาณ 950 องศาเซลเซียส จากนั้นปล่อยกระแสไฟฟ้าผ่านวัสดุเพื่อแยกออกซิเจนออกจากแร่

ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าสามารถสกัดออกซิเจนจากวัสดุจำลองดินดวงจันทร์ได้จริง โดยกระบวนการนี้ยังเหลือส่วนผสมของโลหะเป็นผลิตภัณฑ์อีกประเภทหนึ่ง ซึ่งอาจนำไปพัฒนาเป็นวัตถุดิบสำหรับการก่อสร้างหรือผลิตชิ้นส่วนอุปกรณ์บนดวงจันทร์ได้ในอนาคต อย่างไรก็ตาม การทดลองดังกล่าวยังดำเนินการบนโลก และไม่ได้หมายความว่า ESA สามารถผลิตออกซิเจนบนดวงจันทร์ในระดับอุตสาหกรรมได้แล้ว

NASA พัฒนาระบบผลิตออกซิเจนสำหรับภารกิจ Artemis

ในช่วงปี 2023 NASA ยังพัฒนาเทคโนโลยีภายใต้แนวคิดการใช้ทรัพยากรในพื้นที่ หรือ In-Situ Resource Utilization (ISRU) ซึ่งมีเป้าหมายลดการพึ่งพาทรัพยากรที่ต้องขนส่งจากโลก โดยหนึ่งในโครงการสำคัญคือ Carbothermal Reduction Demonstration หรือ CaRD ที่มุ่งศึกษาวิธีใช้ความร้อนสูงและปฏิกิริยาเคมีเพื่อสกัดออกซิเจนจากวัสดุจำลองดินดวงจันทร์

เทคโนโลยีดังกล่าวใช้พลังงานความร้อนเพื่อทำให้วัสดุเกิดปฏิกิริยากับคาร์บอนและก๊าซที่เกี่ยวข้อง ก่อนนำผลิตภัณฑ์ไปผ่านกระบวนการเพิ่มเติมเพื่อให้ได้ออกซิเจน โดย NASA เคยทดสอบกระบวนการนี้ในสภาพแวดล้อมจำลองที่ใกล้เคียงกับดวงจันทร์ รวมถึงการทดลองระบบที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์รวมความร้อนสำหรับกระบวนการสกัดออกซิเจน

หากสามารถพัฒนาระบบให้ทำงานได้อย่างต่อเนื่องในสภาพแวดล้อมจริง เทคโนโลยีดังกล่าวอาจกลายเป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างพื้นฐานสำหรับภารกิจอาร์ทิมิส (Artemis) ซึ่งมีเป้าหมายสนับสนุนการสำรวจดวงจันทร์ระยะยาว

ออกซิเจนจากดวงจันทร์และเชื้อเพลิงจรวด

การผลิตออกซิเจนบนดวงจันทร์มีความสำคัญมากกว่าการใช้หายใจ เนื่องจากออกซิเจนเหลวยังเป็นสารออกซิไดซ์สำคัญของระบบขับเคลื่อนจรวดหลายประเภท โดยทำหน้าที่ช่วยให้เชื้อเพลิงเกิดปฏิกิริยาเผาไหม้ได้แม้อยู่ในสภาพแวดล้อมที่ไม่มีออกซิเจนในบรรยากาศ

หากมนุษย์สามารถผลิตและเก็บรักษาออกซิเจนเหลวบนดวงจันทร์ได้ในปริมาณมาก อาจช่วยลดมวลสัมภาระที่ต้องขนส่งจากโลก และเปิดโอกาสให้มีการสร้างโครงสร้างพื้นฐานสำหรับเติมสารขับดันแก่ยานอวกาศในอนาคต

อย่างไรก็ตาม การใช้งานจริงยังต้องพัฒนาเทคโนโลยีเพิ่มเติม ทั้งระบบพลังงาน การขุดและลำเลียงดิน การแยกก๊าซให้บริสุทธิ์ รวมถึงระบบทำให้ออกซิเจนกลายเป็นของเหลวและจัดเก็บที่อุณหภูมิต่ำมาก

การทดสอบบนดวงจันทร์จริง

แม้การทดลองบนโลกจะพิสูจน์แล้วว่าสามารถสกัดออกซิเจนจากวัสดุจำลองดินดวงจันทร์ได้ แต่การนำเทคโนโลยีไปใช้งานจริงยังเผชิญความท้าทายหลายด้าน โดยเฉพาะสภาพสุญญากาศ ฝุ่นดวงจันทร์ที่มีความคมและเกาะติดอุปกรณ์ได้ง่าย อุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงอย่างรุนแรง และความต้องการพลังงานสูงของกระบวนการสกัด

นอกจากนี้ การผลิตออกซิเจนให้เพียงพอต่อการดำรงชีพของนักบินอวกาศหรือใช้เป็นสารออกซิไดซ์สำหรับจรวด จำเป็นต้องอาศัยระบบที่สามารถทำงานต่อเนื่อง มีความน่าเชื่อถือสูง และซ่อมบำรุงได้ในสภาพแวดล้อมที่มนุษย์เข้าถึงได้ยาก ปัจจุบันเทคโนโลยีสกัดออกซิเจนจากดินดวงจันทร์จึงยังอยู่ในขั้นตอนการวิจัย พัฒนา และทดสอบต้นแบบ ไม่ใช่ระบบผลิตออกซิเจนเชิงอุตสาหกรรมที่ใช้งานจริงบนดวงจันทร์แล้ว

หากเทคโนโลยีนี้ประสบความสำเร็จในอนาคต ดวงจันทร์อาจไม่ได้เป็นเพียงจุดหมายปลายทางของการสำรวจอวกาศ แต่ยังสามารถเป็นแหล่งผลิตทรัพยากรสำคัญสำหรับสนับสนุนการตั้งถิ่นฐานของมนุษย์และภารกิจเดินทางสู่อวกาศลึก โดยเฉพาะการสำรวจดาวอังคารที่ต้องใช้ทรัพยากรและระบบสนับสนุนการดำรงชีพจำนวนมาก